Le diatomee sono minuscole, creature unicellulari, che abitano gli oceani, laghi, fiumi, e suoli. Attraverso la loro respirazione, producono quasi un quarto dell'ossigeno sulla terra, quasi quanto le foreste tropicali del mondo. Oltre al loro successo ecologico in tutto il pianeta, hanno una serie di proprietà notevoli. Le diatomee vivono in case di vetro di loro progettazione, visibile sotto ingrandimento in una gamma di forme sorprendente ed esteticamente bella.

I ricercatori hanno trovato ispirazione in questi microscopici, gioielli della natura fin dalla loro scoperta alla fine del XVIII secolo. In un nuovo studio, Scienziati dell'Arizona State University (ASU) guidati dal professor Hao Yan, in collaborazione con i ricercatori dello Shanghai Institute of Applied Physics dell'Accademia cinese delle scienze e della Shanghai Jiaotong University guidati dal Prof. Chunhai Fan, hanno progettato una gamma di nanostrutture simili a diatomee.

Per realizzare questo, prendono in prestito le tecniche utilizzate dalle diatomee naturali per depositare strati di silice, il costituente principale del vetro, al fine di far crescere i loro intricati gusci. Utilizzando una tecnica nota come DNA origami, il gruppo ha progettato piattaforme su nanoscala di varie forme alle quali particelle di silice, attratto dalla carica elettrica, potrebbe attaccare.

La nuova ricerca dimostra che la deposizione di silice può essere efficacemente applicata a materiali sintetici, architetture basate sul DNA, migliorandone l'elasticità e la durata. Il lavoro potrebbe in definitiva avere applicazioni di vasta portata in nuovi sistemi ottici, nanolitografia a semiconduttore, nanoelettronica, nano-robotica e applicazioni mediche, compresa la consegna del farmaco.

Yan è il professore distinto di chimica e biochimica di Milton D. Glick e dirige il Centro di biodesign per la progettazione molecolare e la biomimetica. I risultati del gruppo sono riportati nell'avanzato online della rivista Natura .

Ricercatori come Yan e Fan creano sofisticate nanoarchitetture in 2 e 3 dimensioni, utilizzando il DNA come materiale da costruzione. Il metodo, noto come DNA origami, si basa sulle proprietà di accoppiamento delle basi dei quattro nucleotidi del DNA, i cui nomi sono abbreviati A, T, C e G.

La struttura a scala della doppia elica del DNA si forma quando filamenti complementari di nucleotidi si legano tra loro:i nucleotidi C si accoppiano sempre con Gs e A si accoppiano sempre con Ts. Questo comportamento prevedibile può essere sfruttato per produrre una varietà virtualmente illimitata di forme ingegnerizzate, che può essere progettato in anticipo. Le nanostrutture poi si autoassemblano in una provetta.

Nel nuovo studio, i ricercatori volevano vedere se le architetture progettate con il DNA, ciascuna misura appena miliardesimi di metro di diametro, potrebbero essere utilizzati come strutture strutturali su cui esoscheletri simili a diatomee composti da silice potrebbero crescere in modo preciso e controllabile. I loro risultati di successo mostrano la potenza di questo matrimonio ibrido tra natura e nanoingegneria, che gli autori chiamano DNA Origami Silicification (DOS).

"Qui, abbiamo dimostrato che la chimica giusta può essere sviluppata per produrre materiali ibridi DNA-silice che replicano fedelmente le complesse informazioni geometriche di un'ampia gamma di diversi scaffold di origami di DNA. I nostri risultati hanno stabilito un metodo generale per la creazione di nanostrutture di silice biomimetiche, " ha detto Yan.

Tra le strutture geometriche del DNA progettate e costruite negli esperimenti c'erano croci 2-D, piazze, triangoli e forme a nido d'ape con diatomee DOS e cubi 3-D, tetraedri, emisferi, forme toroidali ed ellissoidi, che si verificano come singole unità o reticoli.

Una volta completate le strutture del DNA, grappoli di particelle di silice che trasportano una carica positiva sono stati trascinati elettrostaticamente sulle superfici delle forme di DNA elettricamente negative, crescendo in un periodo di diversi giorni, come vernice fine applicata a un guscio d'uovo. Una serie di micrografie elettroniche a trasmissione e scansione sono state realizzate delle forme DOS risultanti, rivelando una silicizzazione accurata ed efficiente simile alla diatomea.

Il metodo si è dimostrato efficace per la silicizzazione di framelike, nanostrutture curve e porose di dimensioni comprese tra 10-1000 nanometri, (le strutture più grandi hanno all'incirca le dimensioni dei batteri). Il controllo preciso sullo spessore del guscio di silice si ottiene semplicemente regolando la durata della crescita.

Le nanostrutture ibride DOS-diatom sono state inizialmente caratterizzate utilizzando un paio di potenti strumenti in grado di svelare le loro minuscole forme, Microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e microscopia a forza atomica (AFM). Le immagini risultanti rivelano contorni molto più chiari per le nanostrutture dopo la deposizione di silice.

Il metodo di nanofabbricazione è così preciso, i ricercatori sono stati in grado di produrre triangoli, quadrati ed esagoni con pori uniformi che misurano meno di 10 nm di diametro, di gran lunga il più piccolo realizzato fino ad oggi, utilizzando la litografia origami del DNA. Ulteriore, la tecnica delineata nel nuovo studio fornisce ai ricercatori un controllo più accurato sulla costruzione di nanostrutture 3-D in forme arbitrarie che sono spesso difficili da produrre con i metodi esistenti.

One property of natural diatoms of great interests to nanoengineers like Yan and Fan is the specific strength of their silica shells. Specific strength refers to a material's resistance to breakage relative to its density. Scientists have found that the silica architectures of diatoms are not only inspiringly elegant but exceptionally tough. Infatti, the silica exoskeletons enveloping diatoms have the highest specific strength of any biologically produced material, including bone, antlers, and teeth.

In the current study, researchers used AFM to measure the resistance to breakage of their silica-augmented DNA nanostructures. Like their natural counterparts, these forms showed far greater strength and resilience, displaying a 10-fold increase in the forces they could withstand, compared with the unsilicated designs, while nevertheless retaining considerable flexibility.

The study also shows that the enhanced rigidity of DOS nanostructures increases with their growth time. As the authors note, these results are in agreement with the characteristic mechanical properties of biominerals produced by nature, coupling impressive durability with flexibility.

A final experiment involved the design of a new 3-D tetrahedral nanostructure using gold nanorods as supportive struts for a DOS fabricated device. This novel structure was able to faithfully retain its shape compared with a similar structure lacking silication that deformed and collapsed.

The research opens a pathway for nature-inspired innovations in nanotechnology in which DNA architectures act as templates that may be coated with silica or perhaps other inorganic materials, including calcium phosphate, carbonato di calcio, ferric oxide or other metal oxides, yielding unique properties.

"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.

Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.